一种自适应井下钻具工具面的动态控制系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种油气田井下钻具的控制系统及方法，特别是关于一种基于多体动力学模型的自适应井下钻具工具面的动态控制系统及方法。
【背景技术】
[0002]使用弯角式的造斜钻具进行滑动钻进，是石油定向钻井中常用的一种钻进方法。由于地层岩性变化、泥浆栗栗速变化、钻头和动力钻具磨损等原因，井下钻具的工具面容易发生漂移，从而导致井眼轨迹偏离设计轨迹。当地面工程师发现钻具的工具面发生漂移时，常规处理方法是立即停钻并上提钻具，将钻具的工具面调整到所需位置后重新下钻继续钻进。显然，这种方法会影响钻井进度，降低工作效率，并增加钻井成本。此外，在常规滑动导向钻进过程中，由于滑动导向钻井系统的钻柱不旋转，因此容易产生较大的摩阻扭矩。对于地层情况较为明晰的井眼，可以根据井深和钻具的组合特性通过旋转顶驱来克服摩阻扭矩；但对于大长细比柔性钻柱系统，则难以对钻具工具面和井眼轨迹实现有效控制。
【发明内容】
[0003]针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于多体动力学模型的自适应井下钻具工具面的动态控制系统及方法，以提高定向钻井作业的效率和精度。
[0004]为实现上述目的，本发明采取以下技术方案:一种自适应井下钻具工具面的动态控制系统，其特征在于:它包括数据采集模块、用户输入模块、多体动力学建模模块、自适应模型修正模块、工具面估计模块、控制规律生成模块、控制信息输出模块、执行模块、危险状态判断模块和测量信息输出模块；其中，所述数据采集模块将采集到的钻井系统工作状态测量信息分别传输至所述多体动力学建模模块、自适应模型修正模块、控制规律生成模块、危险状态判断模块和测量信息输出模块；所述用户输入模块将用户输入的控制策略和钻井模型信息分别传输至所述多体动力学建模模块、工具面估计模块、控制规律生成模块和危险状态判断模块；所述多体动力学建模模块根据接收到的钻井系统工作状态测量信息、钻井模型信息和控制策略对钻井系统进行多体动力学建模，并将钻井系统的多体动力学模型输入所述自适应模型修正模块；所述自适应模型修正模块根据接收的钻井系统工作状态测量信息、钻井系统的多体动力学模型以及所述工具面估计模块反馈的工具面模拟值对钻井系统的多体动力学模型进行修正，并将修正后的钻井系统的多体动力学模型发送给所述工具面估计模块；所述工具面估计模块对接收到的修正后的钻井系统的多体动力学模型进行多体动力学仿真，以得到工具面模拟值；所述工具面估计模块将工具面模拟值反馈给所述自适应模型修正模块，并将工具面模拟值传输至所述控制规律生成模块；所述控制规律生成模块根据接收到的控制策略判断接收到的工具面模拟值是否超出设定的阈值控制策略中预先设定的钻具工具面阈值:如果是，则所述控制规律生成模块生成新的执行模块控制规律，并将其发送给所述控制信息输出模块；如果否，则保持上一控制周期的执行模块控制规律不变，将其发送给所述控制信息输出模块；所述控制信息输出模块将接收到的执行模块控制规律发送给所述执行模块；所述危险状态判断模块根据接收到的控制策略和钻井系统工作状态测量信息，判断当前钻进是否处于危险状态:如果当前钻进处于危险状态，则将接收到的控制策略中的紧急控制策略发送给所述控制规律生成模块，并向所述测量信息输出模块发送危险警报；如果当前钻进处于安全状态，则将控制策略中的执行模块控制规律发送给所述控制规律生成模块。
[0005]在一个优选的实施例中，它还包括一系统输出模块，所述测量信息输出模块将接收到的钻井系统工作状态测量信息和危险警报传输至所述系统输出模块；所述系统输出模块记录接收到的危险警报、钻井系统工作状态测量信息和执行模块控制规律，并将其呈现给用户；同时，所述系统输出模块还能够将修正后的钻井系统的多体动力学模型，以及工具面模拟值或当前工具面的测量信息也呈现给用户。
[0006]在一个优选的实施例中，所述数据采集模块包括井上测量模块和井下测量模块；所述井上测量模块测量的信息包括:泥浆栗栗速、游车/大钩位置、顶驱/转盘转动的角度、顶驱/转盘施加给钻杆的扭矩和拉力；所述井下测量模块测量的信息包括:井下钻具的工具面、井斜、方位角和井眼测深。
[0007]在一个优选的实施例中，所述用户输入模块包括控制策略输入模块和钻井模型信息输入模块；所述控制策略输入模块接收的用户输入的控制策略包括:1)执行模块控制规律:设计工具面控制规律、泥浆栗栗速控制规律、游车/大钩控制规律、初始顶驱/转盘控制规律和多体动力学模型精度控制规律；2)控制逻辑判断准则:井下钻具是否处于危险状态的判断准则、是否将多体动力学仿真得到的工具面模拟值视为工具面当前位置的判断准则和当前实际工具面是否偏离设定位置的判断准则；3)紧急控制策略:针对危险状态应采取的控制措施；4)预先设定的钻具工具面阈值；所述钻井模型信息输入模块接收用户输入的钻井模型信息，包括钻具信息、泥浆信息和地层信息；钻具信息包括新接入的单根或立根钻柱信息和更换钻头信息，泥浆信息包括但不限于更换钻井液的信息。
[0008]—种采用上述动态控制系统来实现的自适应井下钻具工具面的动态控制方法，其包括以下步骤:
[0009]I)启动钻井系统的执行机构；
[0010]2)用户通过所述用户输入模块中的控制策略输入模块输入控制策略，控制策略输入模块将控制策略分别发送给所述多体动力学建模模块、工具面估计模块、控制规律生成模块和危险状态判断模块；所述用户通过用户输入模块中的钻井模型信息输入模块输入钻井系统模型信息；所述控制规律生成模块经过所述控制信息输出模块将控制策略中的执行模块控制规律发送给所述执行模块，所述执行模块按照该执行模块控制规律开始驱动执行机构工作，其包括:泥浆栗栗入钻井液，游车/大钩上、下移动，以及顶驱/转盘转动指定的角度；
[0011]3)所述数据采集模块将采集到的钻井系统工作状态测量信息分别发送给所述多体动力学建模模块、自适应模型修正模块、控制规律生成模块、危险状态判断模块和测量信息输出申吴块；
[0012]4)所述危险状态判断模块根据所述用户输入模块中的控制策略输入模块发送的控制逻辑判断准则中的井下钻具是否处于危险状态的判断准则和当前实际工具面是否偏离设定位置的判断准则，以及所述数据采集模块发送的钻井系统工作状态测量信息，判断当前钻进是否处于危险状态:
[0013]如果当前钻进处于危险状态，则发出危险警报并执行紧急控制策略；
[0014]如果当前钻进未处于危险状态，则执行步骤5);
[0015]5)若系统处于第一个控制周期，则依据所述数据采集模块采集的钻井系统工作状态测量信息和所述用户输入模块输入的钻井模型信息，对钻井系统建立多体动力学模型；若系统不处于第一个控制周期，则直接执行步骤6);
[0016]6)所述自适应模型修正模块比较所述工具面估计模块反馈的工具面模拟值和钻井系统工作状态测量信息，对获得的多体动力学模型的参数进行修正，并将修正后的多体动力学模型输出给所述工具面估计模块，所述工具面估计模块对多体动力学模型进行多体动力学仿真，以获得工具面模拟值；
[0017]7)所述控制规律生成模块根据所述用户输入模块中的控制策略输入模块发送的控制逻辑判断准则中的是否将多体动力学仿真得到的工具面模拟值视为工具面当前位置的判断准则，确定生成执行模块控制规律时使用的工具面:
[0018]如果是，则将工具面模拟值视为工具面当前位置；
[0019]如果否，则将工具面实测值作为工具面当前位置；
[0020]8)所述控制规律生成模块根据所述用户输入模块中的控制策略输入